시간의 상대성이론 쉽게 이해하기(1)

이번에 할 이야기는 상대성이론의 시간지연효과 입니다. 중요한것은 시간지연이 왜 일어나는지부터 알아야합니다. 짧게 요약하자면, 19세기에 맥스웰이라는 위인분이 맥스웰 방정식을 만들어냅니다. 이 방정식의 영향으로 빛이라는게 물질아냐, 파동이냐는 이야기가 나오게 되었고, 매질이 없는데도 파동의 성질을 가진다는 이야기가 나오고 결국 빛이 관측자의 운동상태와 전혀 무관하게 항상 절대적으로 빛의속도를 지닌다는 것까지 알게됩니다. 핵심은 빛의속도는 상대적인것이 아니라, 절대적이라는 개념입니다. 예를들어 자동차가 시속100km로 달리고 있을때 자동차뒤에서 같은속도로 달려오는 자동차는 나와 상대속도가 0으로 동일하기 때문에 자동차의 속도는 0km로 관측이 되겠죠. 그런데 빛은 뒤에서 같은속도로 따라와도 언제나 빛의속도로 관측이 된다는 겁니다. 이건 지구로부터 멀어지든, 가까워지는별이든 빛의속도가 동일하게 관측됨으로써 이미 증명되었죠. 

 

 

 

*시간의 개념은 상대적이다?

그런데 이걸 인정한다고 하여도, 굉장히 모순덩어리가 됩니다. 빛의 속도가 100m/s라고 가정합니다. 만약 빛 뒤에서 50의 속도로 빛을 따라가는 A를 관찰자 B가 보게되면 빛은 100, A는 50으로 이동하는 것으로 보일겁니다. 그런데 달려가는 A 입장에서는 빛이 100의 속도로 나한테서 멀어지고 있는것이죠. 그럼 A는 50으로 따라가고있으니 A가볼때 빛의속도는 150일까요? 똑같은 빛인데 누구는 속도가 100이고, 누구는 150이고 말이 안됩니다. 이렇게 혼란스러운 상황에서 아인슈타인이 정리를합니다.

 

 

*아이슈타인의 번뜩이는 생각(시간은 상대적)

이때 아인슈타인은 특허청에서 일을하고 있었는데, 가장 많은 이슈는 기차역간에 시간이 차이나는 것을 어떻게 동기화시키냐는 특허였습니다. 당시에 GPS가 없었기때문에 스위스 제네바에서 독일로가면 시간이 달라져서 사람들은 혼란스러웠기 때문이죠. 그래서 아인슈타인은 시간이란 도대체 무엇인가에대해 고민하기 시작했습니다. 그래서인지 남들은 시간은 절대적이라고 생각해왔던것과 반대로 아인슈타인은 시간이 유동적으로 변할 수 있는 물질이라는 관점을 가지고있었고, 앞서 설명한 빛의속도에 대한 모순에 관해서도 움직이는 행위자체로도 시간이 변할수있지 않을까 생각을 하게됩니다. 정말 일반인들은 상상도 못할 생각들이었죠.

 

 

하지만 수학적으로보면 꽤 그럴듯해보입니다. 속도는 어떤 거리를 가는데, 얼마나 많은시간이 걸렸냐를 나타내는 단위입니다. 즉, 속도라는 개념을 정리하기 위해서는 반드시 시간이 필요합니다. 이걸 수학공식으로 보면 속도 = 거리/시간 이라고 정의할 수 있습니다. 그런데 움직이는 행위자체가 시간을 변하게 만든다는 가정하나로 앞서 설명한 모순이 완벽하게 해결됩니다. 

 

 

아까와 마찬가지로 빛 뒤에서 50의 속도로 빛을 따라가 A를 관찰자 B가 보게된다면 빛은 100, A는 50으로 이동하는 것으로 보입니다. 하지만 A입장에서는 50으로 움직이고 있기때문에 시간이 적절히 느려진다고 가정하면 A입장에서 자기자신은 33.3의 속도로 이동중이고, 빛은 66.7속도로 이동중인걸로 관측이 될 수 있습니다. 왜냐면 속도 = 거리/시간 인데 시간이 변했으니까요.(속도: 100 = 100/1 , 100 = 66.7 / 0.667) 이런물체의 운동상태에 따라서 그 물체의 시간이 변한다는 개념하나로 아까 말했던 모순이 완전히 이론적으로 해결될 수 있는겁니다.

 

 

물론 A 입장에서는 빛의속도가 절대적이지 않냐고 물어볼수 있겠지만 이 부분은 시간과 공간이 동일하기 때문에 동시에 변한다는 로렌츠 수축개념을 이해해야합니다. (다음 포스팅에서 다룰예정) 어쨋든 아인슈타인의 이 놀라운 아이디어 물체의 운동상태에 따라 그 물체의 시간이 변한다는 개념, Time Delay효과에 의해 인터스텔라에서 주인공의 시간이 느리게 갔던겁니다.